六月，明军在回师途中遭遇阿鲁台部。明军火器优势在此战中充分展现，神机营军士所使用的神机铳每矢可毙敌二人，众铳齐发，声震数十里[9]。鞑靼军无不惊恐万分，急忙逃跑。阿鲁台部大多溃散。此时天气炎热，明军饥渴交加，已现疲态。朱棣下令收兵时，突然天降大雨，由此解决了明军缺水的难题。
这一战，是明朝历史上皇帝第一次统率大军北跨瀚海，亲自指挥作战，并获得了胜利。朱棣在班师回北京的归途中，登擒胡山，御笔勒铭纪功于岩石：“瀚海为镡，天山为锷。一扫胡尘，永清沙漠。”以此来纪念这次出塞所取得的重大胜利。
经此一役，鞑靼势力受到沉重打击，鞑靼可汗本雅失里逃往瓦剌。太师阿鲁台不得不派遣使者向明朝贡马，表示通好之意。明成祖朱棣表现出了大朝君主的风度，不但准许阿鲁台议和，还将洪武年间捕鱼儿海一战中被明军俘虏的阿鲁台兄长和妹妹送归，阿鲁台对此十分感激。
明成祖朱棣即位之初，在中亚兴起了一个强大的帖木儿帝国，一度对中国造成了威胁——
还在元朝统治中原的时候，蒙古四大汗国之一的察合台分裂为东、西二部。洪武三年（1370年），跛子帖木儿夺得西察合台的统治权，并以成吉思汗继承人自居，力图恢复当年蒙古大帝国的辉煌。帖木儿四处扩张，占领察合台全境后，又陆续征服了波斯、花剌子模等地，并打败了钦察汗国，攻入印度，还攻入土耳其，俘虏了苏丹。随后，帖木儿以撒马尔罕[10]为首都，建立了一个强盛一时的大帝国。
当时帖木儿不可一世，大有效仿祖先成吉思汗征服称霸世界之意。明太祖朱元璋派往帖木儿国的使者傅安也被帖木儿扣留。明成祖朱棣夺得皇位当年，帖木儿征服土耳其，再无后顾之忧，遂决定对明朝用兵。永乐二年（1404年），帖木儿率十万大军，东来攻明。朱棣闻讯大为紧张，命甘肃总兵官左都督宋晟[11]严阵以待。
幸运的是，这一仗并没有打成。撒马尔罕距离中原十分遥远，途中隔着人力难以逾越的高山和沙漠，军队补给异常困难。帖木儿行军东进时，许多战马都因为恶劣的环境死去，军中痢疾流行，生病倒毙的将士不在少数，帖木儿自己也病死在途中。这次令明廷大为紧张的轰轰烈烈的远征，便以主帅帖木儿“出师未捷身先死”而戏剧性地告终。
帖木儿长子早死，其孙哈里继承了汗位。哈里不像他爷爷那样野心勃勃，一心要恢复成吉思汗时代的荣光，而是主张与明朝修好。他即位后，主动释放了被扣押十三年的明朝使者傅安。随同傅安出使的一千五百人，只有十七人生还，内中艰险壮烈程度可与当年西汉张骞通西域相提并论。之后，明朝与帖木儿国之间往来使者不断，明朝西部边防的压力由此得到缓解。
而鞑靼可汗本雅失里及太师阿鲁台被明成祖朱棣第一次亲征打败后，实力大为削弱，瓦剌却日益强盛起来，时常派兵骚扰明朝边境。永乐十年（1412年），瓦剌部马哈木杀死鞑靼可汗本雅失里，吞并了鞑靼西部，更立同族人答里巴为可汗，大权都掌握在马哈木手中。阿鲁台自然对此不服。朱棣继续采取“扶弱抑强”的政策，封阿鲁台为和宁王，使其有能力与瓦剌部马哈木对抗。马哈木对此相当不满，对明朝的敌对情绪越来越严重。
永乐十二年（1414年），瓦剌部马哈木进兵饮马河，宣称将进攻阿鲁台。明成祖朱棣闻警，又亲率大军出塞，进行第二次北征，并让皇太孙朱瞻基随行。朱瞻基自小在宫廷长大，朱棣此举，无疑是要让皇太孙知道征战的辛苦。
出塞后不久，明军即与蒙古军主力遭遇，在忽兰忽失温展开激战。战斗十分惨烈，交战双方损失相当。直到傍晚，瓦剌军才败走。明军两度越过高山，一直追击到土剌河[12]。次年，瓦剌遣使卑词谢罪，战事遂解。
